摘要

統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQC）是用戶電力中一機(jī)多用、具有綜合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)能力的設(shè)備，它既可以改善電網(wǎng)輸入電流的品質(zhì)，也可以改善負(fù)載側(cè)電壓的品質(zhì)，是最能解決多種電能質(zhì)量問題的有效設(shè)備之一。目前，UPQC還未能廣泛進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，其相關(guān)的檢測和控制技術(shù)還有待進(jìn)一步完善和提高。本文針對 UPQC 信號檢測、控制模型和控制方法等方面存在的問題展開深入研究，并提出了新的檢測與控制方法。這些工作對于豐富 UPQC 的檢測與控制的基礎(chǔ)理論，對于推動(dòng) UPQC 向大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，均具有重要意義。UPQC 的電壓電流信號中除包含正序基波分量外，還可能存在負(fù)序和零序基波分量以及其它諧波成分。目前普遍采用基于瞬時(shí)無功功率理論的 dq0變換方法提取正序基波分量，并由此實(shí)施對原始信號中非基波分量的補(bǔ)償。dq0 變換方法計(jì)算量較大，硬件實(shí)施較復(fù)雜，且不適用于單相檢測場合。針對此問題，本文在分析三角函數(shù)提取基波電壓電流成分有關(guān)信息的基礎(chǔ)上，提出了一種檢測 UPQC 電壓電流信號的新方法。該方法利用待檢測信號與正弦和余弦參考信號的少量乘除法運(yùn)算，快速獲得待檢測信號中的基波電壓和基波電流表達(dá)式，為高效補(bǔ)償待檢測信號中的非基波分量奠定了基礎(chǔ)。

同時(shí)，該方法能夠動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)頻率和正序基波成分幅值與初相位的變化，提高了方法對系統(tǒng)運(yùn)行工況變化的適應(yīng)性。某些電力設(shè)備，在將其模型由 abc 坐標(biāo)系變換到 dq 坐標(biāo)系后，仍然存在d、q 軸間的交叉耦合，無法實(shí)施完全解耦控制。UPQC 的 dq 坐標(biāo)模型也不例外。針對此問題，本文提出了一種實(shí)現(xiàn)完全解耦的新方法：在原模型由 abc坐標(biāo)系變換到 dq 坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上，再增加一次由 dq 至 αβ 間的變換，就可使得再變換后的模型，其各軸分量間具有完全解耦的特性。利用此新方法，建立了 UPQC 的完全解耦模型。完全解耦后的模型，為在一定控制模式和控制方式下實(shí)現(xiàn) UPQC 的解耦控制或控制系統(tǒng)的解耦設(shè)計(jì)提供了便利，有助于提高系統(tǒng)控制或系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能。根據(jù) UPQC 串并聯(lián)部分在系統(tǒng)控制目標(biāo)上的不同分工，可以將 UPQC 的控制模式劃分為串壓并流模式和串流并壓模式，兩種模式都可以分別采用開環(huán)方式和閉環(huán)方式進(jìn)行控制。本文分別從兩種控制模式和兩種控制方式入手，哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文提出了相應(yīng)的控制策略，給出了不同控制策略下給定參考量、檢測量等的計(jì)算與檢測方法。

其中，對開環(huán)控制，相關(guān)參數(shù)的計(jì)算充分利用了 UPQC 的解耦模型；對閉環(huán)控制，由于控制目標(biāo)是通過特定的偏差信號進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，可以不依賴于 UPQC 串并聯(lián)部分的具體數(shù)學(xué)模型，但可以利用解耦模型對閉環(huán)控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：無論哪種控制模式，按照本文提出的控制策略，都可以實(shí)現(xiàn) UPQC 的控制目標(biāo)，且對相同的控制方式，兩種控制模式的性能相近。UPQC直流電容電壓的控制，常采用PI控制器。PI控制器由于受到設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)量的限制，其控制性能可能難以達(dá)到比較理想的程度。由于分?jǐn)?shù)階PIλDμ控制器在傳統(tǒng)PID控制器的基礎(chǔ)上增加了調(diào)節(jié)參數(shù)的個(gè)數(shù)，提高了控制器設(shè)計(jì)與控制規(guī)律優(yōu)化的空間。鑒于此，本文將分?jǐn)?shù)階PIλDμ控制器引入U(xiǎn)PQC直流電容電壓的控制，設(shè)計(jì)的分?jǐn)?shù)階PIλDμ控制器經(jīng)仿真分析表明：分?jǐn)?shù)階PIλDμ控制器與傳統(tǒng)PI控制器相比，有助于提高UPQC直流電容電壓的動(dòng)態(tài)控制性能。本文研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：50467002)的資助。

1.1 課題研究的目的和意義

1.1.1 研究背景隨著我國電力工業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，輸電線路傳輸功率與電壓等級在不斷提高，同時(shí)電力系統(tǒng)的元件成員也在不斷增加。其中，以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)的各種裝置和設(shè)備不斷提出并逐漸應(yīng)用于系統(tǒng)之中。電力電子裝置的應(yīng)用可以節(jié)約能源，提高電能的利用率，增加系統(tǒng)調(diào)控的靈活性；但另一方面，由于電力電子設(shè)備使用了像晶閘管等具有非線性半導(dǎo)體開關(guān)器件，使得其具有不可避免的缺點(diǎn)：這些非線性設(shè)備和負(fù)載使得大量的諧波電流注入電網(wǎng)，其中的一些設(shè)備需要系統(tǒng)提高大量無功功率，并可能引起三相不平衡和零序電流等。同時(shí)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多敏感性負(fù)載，如各種復(fù)雜的、精密實(shí)驗(yàn)儀器和生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制設(shè)備等，對于電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求非常高。所以，在電力系統(tǒng)中，就存在著如下兩方面的矛盾。一方面，伴隨著系統(tǒng)異常情況的瞬時(shí)供電中斷、電壓跌落等動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問題，會(huì)給用戶造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。其中，以電力電子、計(jì)算機(jī)為代表的信息產(chǎn)業(yè)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中的很多電子設(shè)備，精密過程控制器、通訊設(shè)備等，對電能質(zhì)量非常敏感，電能質(zhì)量問題可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤甚至丟失；控制達(dá)不到預(yù)計(jì)效果，影響產(chǎn)品質(zhì)量，甚至可能出現(xiàn)設(shè)備的損壞和事故的發(fā)生。

另一方面，大量負(fù)荷也成為電能質(zhì)量下降的主要原因。非線性元件和非線性負(fù)荷越來越多的應(yīng)用于電力系統(tǒng)的用戶端，其產(chǎn)生的無功及諧波電流大量向中、高壓配電系統(tǒng)滲透，長期得不到治理，增加了系統(tǒng)的損耗；不對稱負(fù)荷加劇了電壓的不平衡度；快速?zèng)_擊負(fù)荷(軋鋼機(jī)、焊機(jī)、大型沖床等)從電網(wǎng)吸收無功，同時(shí)產(chǎn)生電壓波動(dòng)和閃變，降低電動(dòng)機(jī)的有效輸出，使產(chǎn)品成品率降低，縮短設(shè)備使用壽命。此外，由這些負(fù)荷造成的擾動(dòng)也使遙控誤動(dòng)、電纜過熱、變壓器中渦流損耗增加、保護(hù)誤動(dòng)、電表測量錯(cuò)誤等。- 1 –

第 1 章 緒論

國際大電網(wǎng)會(huì)議 36 學(xué)術(shù)委員會(huì)（電力系統(tǒng)電磁兼容）也把電能質(zhì)量控制列入到電磁兼容的范疇[5]。因此，電能質(zhì)量已被提高到了一個(gè)新的認(rèn)識高度。

1.1.2 研究意義UPQC 在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究的必要性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）用戶對于電能的要求?？茖W(xué)技術(shù)及社會(huì)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，尤其是以信息技術(shù)為先導(dǎo)的知識經(jīng)濟(jì)時(shí)代的來到，使許多的生產(chǎn)設(shè)備(如數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械、高精度儀器和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等)要求電網(wǎng)提供綠色的電力，而且許多生產(chǎn)過程的自動(dòng)化和智能化，使得這些越來越復(fù)雜、先進(jìn)的現(xiàn)代生產(chǎn)過程對于諧波、動(dòng)態(tài)過電壓、電壓凹陷、短時(shí)停電等問題非常敏感，不良的電能質(zhì)量問題可能引起工業(yè)生產(chǎn)過程非計(jì)劃的停產(chǎn)或設(shè)備故障，導(dǎo)致用戶的生產(chǎn)成本增加，產(chǎn)品質(zhì)量下降，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。（2）電力系統(tǒng)自身的要求。在電力系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大的同時(shí)，出現(xiàn)了許多特殊性的負(fù)荷，特別是沖擊性、非線性負(fù)荷，如冶金、化工、礦山等行業(yè)大量使用的晶閘管整流電源和電弧爐；工業(yè)生產(chǎn)中的變頻調(diào)速裝置；電氣化鐵道中的電力機(jī)車；高壓直流輸電中的換流站等。這些性質(zhì)的負(fù)荷都可稱為諧波源，它們從電網(wǎng)吸收或注入諧波電流，可以導(dǎo)致電網(wǎng)的功率因數(shù)降低、電網(wǎng)電壓波形畸變、電壓波動(dòng)及三相電壓不平衡等問題。（3）新型能源的分布式發(fā)電設(shè)備（如風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電和再生資源發(fā)電）的并網(wǎng)及利用等問題。上述新型能源由于其自身特點(diǎn)不能與電力網(wǎng)絡(luò)直接連接，而電力電子設(shè)備（主要是逆變單元）則是首選方案。該特點(diǎn)可以增大 UPQC 在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍。綜上所述，任何一種電能質(zhì)量問題都可能對用戶造成很大的負(fù)面影響。UPQC 作為能解決多種電能問題的設(shè)備，研究其對電力系統(tǒng)的作用，具有重要理論意義和實(shí)用價(jià)值。考慮到社會(huì)發(fā)展的背景和用戶的迫切需求，為更好地提高 UPQC 的功能，本文重點(diǎn)研究“統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器檢測與控制方法”。該課題的深入研究，不但有助于緊跟國際同類問題的研究步伐，而且具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的綜合治理，改善供用電環(huán)境，既符合電力市場發(fā)展的要求，可為電力用戶提供純凈、可靠、穩(wěn)定的綠色電源，也可以為供用電部門帶來可觀的增值效益。

1.2 電能質(zhì)量的基本內(nèi)容理想的供電系統(tǒng)中，電能應(yīng)以單一恒定的頻率和穩(wěn)定的電壓為用戶提供電力，而且希望負(fù)荷為電阻性負(fù)載，即功率因數(shù)為 1，以提高電能的利用率。但是由于系統(tǒng)規(guī)劃不恰當(dāng)、調(diào)控手段不完善、負(fù)荷變化隨機(jī)性以及其它不可預(yù)見的各種故障等原因，理想的供電狀態(tài)在實(shí)際當(dāng)中并不存在。因此就提出了電能質(zhì)量的概念[10]。早期的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)只包含頻率、電壓和可靠性（不斷電）三個(gè)方面[11]。通過電力研究者的不斷努力，電能質(zhì)量制定的標(biāo)準(zhǔn)從以電力企業(yè)自身需要出發(fā)轉(zhuǎn)為以電力用戶“所感受到的”影響為依據(jù)、從可靠性和供電質(zhì)量兩個(gè)方面來考慮。制定的內(nèi)容，除了常規(guī)的各項(xiàng)穩(wěn)態(tài)及部分動(dòng)態(tài)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)外，還新增了若干動(dòng)態(tài)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)外有關(guān)電能質(zhì)量控制的研究已掀起高潮，其內(nèi)容包括所適應(yīng)的功率理論的擴(kuò)展，電能質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)體系的建立，新的電能質(zhì)量分析方法的提出以及基于用戶電力技術(shù)